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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Energie zwischen einer Batterie eines Elektrofahrzeugs und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur, wobei zwischen einer zentralen Steuereinheit des Elektrofahrzeugs und der Ladeinfrastruktur eine erste Datenverbindung aufgebaut wird, mittels derer das Elektrofahrzeug und/oder die Ladeinfrastruktur in einen Lademodus versetzt wird, wobei zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie ein Energiefluss erfolgt, und wobei der Energiefluss zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie anhand von Ladesteuerdaten gesteuert wird, welche zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur übertragen werden.
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Beim Laden von Elektrofahrzeugen können durch fahrzeugseitige Verbraucher, deren Betrieb insbesondere für eine Steuerung des Ladevorgangs benötigt wird, Verluste in nicht vernachlässigbarem Umfang entstehen. Solche Verbraucher sind z.B. durch zentrale Fahrzeugsteuerungen gegeben, welche neben dem generellen Energiemanagement und somit einer Steuerung des Energieflusses beim Laden abhängig von Batterieparametern auch noch deutlich mehr Funktionen bereitstellen bzw. wahrnehmen. Gerade bei Ladevorgängen mit vergleichsweise niedriger Leistung werden hierdurch bei Ladevorgängen über einen längeren Zeitraum (z.B. eine Nacht lang) die angesprochenen Verluste relevant.
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Infolge der Energiewende gewinnen Ladevorgänge mit niedrigen Leistungen zusehends an Bedeutung (z.B. durch das Laden eines vor einem Privathaus geparkten Elektrofahrzeugs mit überschüssigem Strom einer Solaranlage auf dem Hausdach). Gleiches gilt zudem für Entladevorgänge des Elektrofahrzeugs, in welchen z.B. aus einem Elektrofahrzeug elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird (sog. „Vehicle-to-grid“, V2G), um etwa Leistungsspitzen der Nachfrage besser abzufangen. Auch hier können unter den genannten Bedingungen die angesprochenen Leistungsverluste auftreten.
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Die
DE 10 2013 113 313 A1 nennt ein Kommunikationsverfahren zur Vorbereitung und Durchführung eines Ladevorgangs für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Fahrantrieb an einer Versorgungsstation. Zwischen der Versorgungsstation und dem Fahrzeug wird ein Nachrichtenaustausch geführt, der über eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung erfolgt. Zusätzlich wird eine kabellose Kommunikationsverbindung aufgebaut und der Nachrichtenaustausch erfolgt zeitweise alternativ oder zusätzlich über diese Verbindung.
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Die
US 2020 / 0 122 597 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Energiespeichervorrichtung, einer Ladevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, mit elektrischer Energie von einer Energieversorgungseinheit versorgt zu werden und die Energiespeichervorrichtung zu laden, und mit einer elektronischen Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, Informationen über eine maximale Ausgangsleistung der Energieversorgungseinheit zu erfassen. Die elektronische Steuereinheit ist dazu eingerichtet, anhand der maximalen Ausgangsleistung der Energieversorgungseinheit, die durch die erfassten Informationen angezeigt wird, einen vorbestimmten, dem Laden zugeordneten Prozess auszuführen.
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In der
WO 2021 / 070 098 A1 ist ein intelligentes Ladesystem für Elektrofahrzeuge offenbart. Das Ladesystem beinhaltet ein Registrierungs-Teilsystem zum Registrieren von Benutzern auf einer Plattform, ein Teilsystem zur Überprüfung eines verfügbaren Ladezeitfensters für einen Benutzer bei der Registrierung des jeweiligen Benutzers auf der Plattform unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren, ein Buchungs-Teilsystem für Ladezeitfensters, um einem Benutzer zu ermöglichen, einen Ladeplatz für ein Elektrofahrzeug basierend auf der Verfügbarkeit eines Ladeplatzes zu reservieren, ein Analyse-Teilsystem zum Analysieren von Daten einer Bilderfassungsvorrichtung oder einer Messvorrichtung, und ein Steuerungs-Teilsystem zum Steuern von der Elektrofahrzeug-Ladestation zugeordneten Parametern durch eine Verwaltungseinheit auf einem Server.
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Die
CN 2 10 554 278 U zeigt ein Steuersystem für eine Ladestation basierend auf einem Narrow Band Internet-of-Things (NB-loT)-Netzwerk. Das Steuersystem umfasst eine Verwaltungsplattform in drahtloser Verbindung mit der Ladestation, um eine Informationsinteraktion zu realisieren. Die Ladestation umfasst eine zentrale Steuereinheit, ein NB-loT-Modul, einen Leistungsschalter, eine Ladeschaltung und einen Ladeanschlussstecker. Das NB-loT-Modul steht dabei in bidirektionaler Kommunikationsverbindung mit der zentralen Steuerung, wobei der Leistungsschalter so gesteuert wird, dass er mit der zentralen Steuereinheit verbunden ist, und ein Ein- bzw. Aus-Zustand der Ladeschaltung und somit des Ladeverbindungssteckers durch einen entsprechenden Ein- bzw. Aus-Zustand des Leistungsschalters gesteuert wird.
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Die
CN 1 07 458 241 A offenbart ein Ladeverfahren für ein Ladesäulensystem mit Bluetooth-Schnittstellen. Das Ladesäulensystem umfasst u.a. ein öffentliches Netzwerk-Cloud-Terminal, eine Kommunikationssteuerung, Ladesäulen, Relais, Chips zur Messung einer elektrischen Größe und die Bluetooth-Schnittstellen. Einzelne Ladeeinheiten sind jeweils in Reihe mit einer Hauptleitung der Kommunikationssteuerung verbunden, wobei eine Ladeeinheit aus der Ladesäule, dem mit der Ladesäule in Reihe geschalteten Relais und dem Chip zur Messung der elektrischen Größe besteht. Die Kommunikationssteuerung ist eine LoRa-Basisstation für das Internet der Dinge.
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In der
DE 10 2017 008 607 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Energieverbrauchs im Zusammenhang mit einem kabellosen Laden eines Fahrzeugs genannt, das eine elektrische Maschine als Fahrzeugantrieb umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bestimmen des Fahrzeugniveaus zum Fördern des kabellosen Ladens des Fahrzeugs; Anpassen des Fahrzeugniveaus an das derart bestimmte Niveau; Laden des Fahrzeugs; und, in Verbindung mit dem Laden des Fahrzeugs, Verringern des allgemeinen Energieverbrauchs gemäß einem Bereitschaftsmodus des Fahrzeugs.
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Die
DE 10 2014 213 046 A1 nennt ein Laden eines Elektrofahrzeugs von einer Stromquelle mittels einer Steuereinheit einer Versorgungsseite. Die Steuereinheit erhält fahrzeugbezogene Informationen von dem Elektrofahrzeug, wenn eine elektrische Verbindung mit dem Elektrofahrzeug aufgebaut wird. Die Steuereinheit speichert die abgerufenen Fahrzeuginformationen. Die Fahrzeuginformationen können Ladeinformationen enthalten, welche für eine Ladesteuerung verwendet werden, sowie weitere Informationen. Eine Informationseinrichtung, wie zum Beispiel ein Smartphone, fragt die Fahrzeuginformationen an, welche durch die Steuereinheit an die Informationseinrichtung ohne ein Zugreifen auf das Batterieladegerät und funktionale Einrichtungen des Fahrzeugs geliefert werden. Es ist dementsprechend möglich, die Fahrzeuginformationen in Antwort auf die Anfrage von der Informationseinrichtung zu liefern, ohne die Steuereinheit auf dem Fahrzeug neu zu starten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen ein Energieaustausch zwischen einem Elektrofahrzeug und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur auch bei niedrigen Leistungen möglichst verlustarm erfolgen kann. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Elektrofahrzeug anzugeben, welches sich über eine Ladeinfrastruktur auch bei niedrigen Leistungen möglichst verlustarm laden oder entladen lässt.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Austausch von Energie zwischen einer Batterie eines Elektrofahrzeugs und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur, wobei zwischen einer zentralen Steuereinheit des Elektrofahrzeugs und der Ladeinfrastruktur eine erste Datenverbindung aufgebaut wird, anhand derer das Elektrofahrzeug und/oder die Ladeinfrastruktur in einen Lademodus versetzt wird, wobei zwischen einem Batteriemanagement der Batterie und der Ladeinfrastruktur über ein Niedrigenergie-Funknetzwerk eine drahtlose zweite Datenverbindung aufgebaut wird, wobei im Elektrofahrzeug wenigstens die zentrale Steuereinheit in einen inaktiven Modus versetzt wird, wobei zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie ein Energiefluss erfolgt, und wobei der Energiefluss zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie anhand von Ladesteuerdaten gesteuert wird, welche über die zweite Datenverbindung zwischen dem Batteriemanagement und der Ladeinfrastruktur übertragen werden. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Batterie mit einem zugehörigen Batteriemanagement, eine zentrale Steuereinheit, und Mittel zum Aufbau einer ersten Datenverbindung zwischen der zentralen Steuereinheit und einer Ladeinfrastruktur für die Batterie sowie zum Aufbau einer drahtlosen zweiten Datenverbindung zwischen dem Batteriemanagement und einem Niedrigenergie-Funknetzwerk, wobei die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet ist, auf den Aufbau der ersten Datenverbindung mit der Ladeinfrastruktur hin das Elektrofahrzeug in einen Lademodus zu versetzen, wobei das Batteriemanagement dazu eingerichtet ist, über das Niedrigenergie-Funknetzwerk Ladesteuerdaten mit der Ladeinfrastruktur auszutauschen, anhand derer ein Energiefluss durch die Ladeinfrastruktur zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie steuerbar ist, und das Elektrofahrzeug dazu eingerichtet ist, wenigstens die zentrale Steuereinheit in einen inaktiven Modus zu versetzen, wenn die zweite Datenverbindung aufgebaut ist.
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Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug teilt die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Austausch von Energie. Die für besagtes Verfahren und für seine Weiterbildungen angegebenen Vorteile können sinngemäß auf das Elektrofahrzeug übertragen werden.
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Unter Energie ist hierbei für -austausch und -fluss sowie im Folgenden generell elektrische bzw. elektromagnetische Energie umfasst, sodass der Begriff der Energie insbesondere nicht auf eventuelle zusätzliche thermischen Effekte zu beziehen ist.
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Unter einem Elektrofahrzeug ist hierbei bevorzugt jedwedes elektrisch betriebene Kraftfahrzeug (Kfz) umfasst. Das Elektrofahrzeug ist dabei insbesondere gegeben durch ein rein batterieelektrisch betriebenes Kfz, also ohne einen Verbrennungsmotor für einen Hybridbetrieb. Das Elektrofahrzeug kann jedoch auch durch einen sog. Plug-in-Hybrid gegeben sein. Unter einer Ladeinfrastruktur ist hierbei jedwede Vorrichtung oder Anordnung zu verstehen, welche ihrer Ausgestaltung nach dazu vorgesehen und eingerichtet ist, ein Batterie eines Elektrofahrzeugs elektrisch zu laden, und/oder der Batterie eines Elektrofahrzeugs elektrische Energie zu entnehmen (z.B. für V2G). Insbesondere kann die Ladeinfrastruktur gegeben sein durch eine dedizierte Ladestation, welche bspw. an einem öffentlichen Parkplatz oder einem überirdischen Firmenstellplatz o.ä. angeordnet sein kann, oder durch eine Installation an einem Privathaushalt (z.B. auf einem Privatparkplatz vor/neben einem Wohngebäude oder in einer Garage).
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Unter einem Lademodus ist hierbei für das Elektrofahrzeug insbesondere umfasst, dass eine Energieübertragung von einem Ladestecker, welcher in eine entsprechende Steckdose des Elektrofahrzeugs gesteckt ist, zur Batterie möglich ist (und insbesondere keine weiteren Schalt- und/oder Schützkontakte geschlossen werden müssen). Der Lademodus soll dabei insbesondere auch zum Entladen des Elektrofahrzeugs im Rahmen von V2G eingerichtet sein
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Unter einer Batterie des Elektrofahrzeugs ist generell jedwede wieder aufladbare elektrische Energiequelle zu verstehen, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, im Elektrofahrzeug die für den Fahrbetrieb benötigte Energie bereitzustellen. Eine Batterie kann dabei insbesondere aus einer Mehrzahl oder einer Vielzahl an einzelnen Batteriezellen gebildet werden, wobei unter dem Begriff der „Batterie“ insbesondere eine Gesamtheit an miteinander verschalteten Batteriezellen eines Elektrofahrzeugs umfasst ist, aus welchen durch einen einzelnen Anschluss Energie entnommen werden kann. Gemäß dieser Definition weist ein Elektrofahrzeug dabei bevorzugt nur eine Batterie eine oder eine geringe Anzahl an Batterien auf. Etwaige sonstige Energiequellen in einem Elektrofahrzeug, z.B. selbständige Energiequellen eines Steuergerätes o.ä., sind demnach nicht vom Begriff der Batterie umfasst.
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Dementsprechend ist dabei unter einem Batteriemanagement insbesondere jedwedes Steuergerät zu verstehen, welches der Batterie unmittelbar zugeordnet ist (vorzugsweise durch entsprechende Verschaltung), und welches dazu eingerichtet und vorgesehen ist, bei einem Energiefluss in die Batterie oder einer Energieentnahme eine gleichmäßige Beladung bzw. Belastung der einzelnen Batteriezellen sicherzustellen, und dabei zudem auch noch das Einhalten aller relevanten Grenzwerte für Spannungen, Ströme und ggf. Temperaturen überwacht. Insbesondere weist das Batteriemanagement im Wesentlichen nur Funktionen auf, welche unmittelbar für den Betrieb der Batterie bzw. ihr Laden/Entladen erforderlich sind.
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Unter einer zentralen Steuereinheit ist insbesondere jedwede Recheneinrichtung zu verstehen, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, sämtliche grundlegenden Funktionen des Elektrofahrzeugs (Antrieb der einzelnen Radmotoren, Bordelektronik, Beleuchtung, Temperaturregelung, etc.) anzusteuern, und dabei insbesondere gegeben sein kann durch einen Fahrzeugserver. Im Fall, dass das Elektrofahrzeug keinen übergeordneten Fahrzeugserver aufweist, durch welchen alle grundlegenden Funktionen ansteuerbar sind, sondern für unterschiedliche Funktionen einzelne, voneinander physikalisch getrennte Steuereinheiten vorgesehen und eingerichtet sind, ist die zentrale Steuereinheit insbesondere gegeben durch diejenige Steuereinheit, welche eine Leistungsabgabe aus der Batterie für den Fahrbetrieb und eine Leistungsaufnahme beim Laden regelt. Die zentrale Steuereinheit lässt sich in letztgenanntem Fall sowie generell vom Batteriemanagement dadurch abgrenzen, dass die zentrale Steuereinheit dabei, anders als das Batteriemanagement, keinen Zugriff auf die Energie- und Spannungsverteilung der einzelnen Batteriezellen innerhalb der Batterie hat, sondern lediglich den Energiefluss bis hin zum Anschluss der Batterie steuert.
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Unter einem inaktiven Modus für die zentrale Steuereinheit (oder ggf. für andere Geräte) ist dabei insbesondere ein Modus umfasst, in welchem die bestimmungsgemäßen Aufgaben der zentralen Steuereinheit vollständig ausgesetzt sind, und somit auch keinerlei Steuerbefehle erzeugt werden oder Berechnungen hierzu erfolgen, und allenfalls ein Minimalbetrieb aufrecht erhalten wird, dessen einzige Funktion die Möglichkeit zur beschleunigten Rückkehr in den vollständigen Betrieb bildet (also ohne Notwendigkeit eines vollständigen Neustarts mit erneutem Hochfahren eines Betriebssystems etc.). Dies kann insbesondere in einem Standby-Modus, einen Sleep-Modus oder einen gänzlich spannungsfreien Modus der Fall sein.
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Durch das Nutzen eines Niedrigenergie-Funknetzwerkes, bevorzugt eines Low Power Wide Area (LPWA) Networks kann auf eine aufwändige fahrzeugseitige Kommunikationsinfrastruktur verzichtet werden. Dadurch kann auch die zentrale Steuereinheit - und bevorzugt möglichst viele weitere fahrzeugseitige Verbraucher - in den inaktiven Modus versetzt werden, wodurch eine erhebliche Einsparung beim Energieverbrauch erzielt werden kann, was sich insbesondere bei längeren Ladevorgängen (also vorrangig solchen mit niederer Leistung) auswirkt. Zusätzlich kann die Haltbarkeit der zentralen Steuereinheit (und ggf. der weiteren Verbraucher) durch das Versetzen in den inaktiven Modus beim Laden bzw. Entladen verlängert werden, da im inaktiven Modus keinerlei Betriebszeit anfällt, welche der maximalen Anzahl an Betriebsstunden gegenzurechnen wären, für welche die zentrale Steuereinheit (bzw. die weiteren Verbraucher) ausgelegt sind.
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Das Niedrigenergie-Funknetzwerk ist dabei insbesondere als ein LPWA-Network ausgestaltet. Vertreter eines LPWA-Netzwerkes sind ein Narrow Band Internet-of-Things (NB-loT) Netzwerk oder ein Low Range WAN (LoRaWAN). Ein LPWA-Netzwerk ist insbesondere durch einen besonders niedrigen Energieverbrauch bei gleichzeitig vergleichsweise hoher Reichweite von bis zu mehreren km (je nach Bebauung im Sendegebiet) gekennzeichnet. Da LPWA-Netzwerke insbesondere für die zunehmende Implementierung des loT auf Industrieebene, aber auch bei der Automatisierung von Privathaushalten verwendet werden, ist die Verfügbarkeit von LPWA-Netzwerken entsprechend hoch.
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Bevorzugt weist das Niedrigenergie-Funknetzwerk eine Datenrate von bis zu 50 kbit/s auf. Bei derart geringen Datenraten, welche für den Zweck des Verfahrens bei weitem noch ausreichend sind, kann der Energieverbrauch für die Teilnahme im Netzwerk besonders niedrig gehalten werden.
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Vorteilhafterweise wird wenigstens während des Energieflusses ein jedes weitere Steuergerät - über das Batteriemanagement hinaus - des Elektrofahrzeugs in einen inaktiven Modus versetzt. Dies senkt den Energieverbrauch noch weiter. Bevorzugt wird auch jeder weitere elektrische Verbraucher während des Energieflusses, also während des eigentlichen Lade- bzw. Entladevorgangs, in einen inaktiven Modus versetzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite Datenverbindung über ein öffentlich zugängliches Niedrigenergie-Funknetzwerk aufgebaut, wobei beim Aufbau der zweiten Datenverbindung eine Authentifizierung des Batteriemanagements der Batterie und/oder der Ladeinfrastruktur erfolgt, und/oder eine Verschlüsselung initiiert wird. Die Authentifizierung und die Verschlüsselung können dabei grundsätzlich in einer dem Fachmann bekannten Weise erfolgen.
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Vorzugsweise wird die zweite Datenverbindung mittels eines Access Points aufgebaut, welcher in der Ladeinfrastruktur umfasst ist. Während der Access Point, also faktisch die physikalische Sende- und Empfangsstation für das Niedrigenergie-Funknetzwerk, grundsätzlich überall angeordnet sein kann, solange die Reichweite vom Access Point aus sich mindestens bis zur Ladeinfrastruktur erstreckt, kann bei einem Access Point in der Ladeinfrastruktur eine besonders niedrige Sendeenergie seitens des Elektrofahrzeugs verwendet werden. Zudem ist es in diesem Fall möglich, den Daten-Overhead an Verschlüsselung zu reduzieren, da nur wenige andere Zugriffe auf das Niedrigenergie-Funknetzwerk über den Access Point der Ladeinfrastruktur erfolgen werden.
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Günstigerweise umfassen die Ladesteuerdaten einen Istwert und/oder einen Sollwert und/oder einen Grenzwert für wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen: Energie, Leistung, Spannung, Strom, Ladung. Im Lademodus werden zwischen Elektrofahrzeug und Ladeinfrastruktur Ladesteuerdaten der genannten Art ausgetauscht. Auf Basis von für die Batterie und/oder für das Elektrofahrzeug ermittelten Istwerten, z.B. insbesondere eines Ladezustands der Batterie oder eines maximalen Ladestroms und von Sollwerten, welche sich z.B. aus Vorgaben durch einen Fahrer des Elektrofahrzeugs (als Kunden der Ladeinfrastruktur) oder durch technische Grenzwerte ergeben können, werden dann einzelne Ladesteuerdaten zyklisch neu berechnet. Die Ladeinfrastruktur lädt oder entlädt dann das Elektrofahrzeug im Rahmen der Ladesteuerdaten.
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Vorteilhafterweise umfasst das Versetzen in den Lademodus anhand der ersten Datenverbindung ein Aufbauen einer Ladestrecke zur Energieübertragung zwischen der Batterie und der Ladeinfrastruktur und/oder ein Erteilen der Freigabe zur Energieübertragung zwischen der Batterie und der Ladeinfrastruktur. Dies bedeutet insbesondere, dass die Ladestrecke im Lademodus eine unterbrechungsfreie Energieübertragung zwischen der Batterie und der Ladeinfrastruktur ermöglicht, und dazu insbesondere keine weiteren Schaltkontakte zu schließen sind.
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Der Energiefluss zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie erfolgt bevorzugt mittels eines Gleichstroms. Während sich das Verfahren grundsätzlich auch für eine Energieübertragung mittels Wechselstrom eignet, sind die Vorteile insbesondere bei Gleichstromübertragung mit moderater Leistung mit bevorzugt weniger als 22 kW.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einem Blockschaltbild ein Elektrofahrzeug, welches mit einer Ladestation verbunden ist, und
- 2 in einem Blockdiagramm den Ablauf eines Verfahrens zum Laden des Elektrofahrzeugs an der Ladestation nach 1.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind schematisch in einem Blockschaltbild ein Elektrofahrzeug 1 und eine Ladeinfrastruktur 2 dargestellt. Das Elektrofahrzeug 1 kann dabei gegeben sein durch ein rein batteriebetriebenes Kfz ohne Verbrennungsmotor für einen Hybrid-Betrieb, oder auch durch ein sog. Plug-in-Hybrid, welches neben einem Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor mit einer von au-ßen aufladbaren Batterie aufweist. Das Elektrofahrzeug 1 weist dabei als Energiequelle eine Batterie 4 auf. Der Batterie 4 ist ein Batteriemanagement 6 zugeordnet, welches insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Energiefluss in die Batterie 4 beim Laden sowie aus der Batterie 4 heraus beim Entladen (z.B. im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs 1) zu steuern, und dabei u.a. auch eine gleichmäßige Beladung bzw. Belastung der einzelnen Zellen (nicht dargestellt) der Batterie 4 sicherzustellen. Das Batteriemanagement 6 ist hierfür insbesondere mit der Batterie 4 zum Austausch entsprechender Steuerwerte datentechnisch verbunden, und bezieht bevorzugt auch seine Betriebsenergie aus der Batterie 4 (über entsprechende, nicht dargestellte Leiter bzw. Kontakte).
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Die Ladeinfrastruktur 2 ist vorliegend gegeben durch eine dedizierte Ladestation 8, welche bspw. an einem öffentlichen Parkplatz oder einem überirdischen Firmenstellplatz o.ä. angeordnet sein kann. Alternativ dazu kann die Ladeinfrastruktur auch durch eine Installation (nicht dargestellt) an einem Privathaushalt gegeben sein.
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Das Elektrofahrzeug 1 ist mit der Ladestation 8 über ein aus dieser führendes Ladekabel 10 verbunden, wobei für die Verbindung ein am Ende des Ladekabels 10 angeordneter Stecker 12 in eine Steckdose 14 des Elektrofahrzeugs 1 gesteckt ist. Der Stecker 12 und die Steckdose 14 können dabei nach einem bestehenden Standard für Elektrofahrzeuge ausgestaltet sein, z.B. CCS („Combined Charging System“) oder auch Chademo bzw. einem vergleichbaren Standard. Im vorliegenden Fall sind durch das Ladekabel 10 eine Stromleitung 16 und eine Datenleitung 18 geführt, welche über entsprechende, nicht näher dargestellte Kontakte im Stecker 12 und in der Steckdose 14 mit einer entsprechenden fahrzeugseitigen Stromleitung 20 bzw. fahrzeugseitigen Datenleitung 22 verbunden sind, die jeweils in den Kabelbaum (nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 1 integriert sind. Die Stromleitung 16 und die Datenleitung 18 sind in der Ladestation 8 mit einer Leistungsquelle bzw. einem Steuerrechner (jeweils nicht dargestellt) verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ladestation für eine Energieübertragung zur bzw. von der Batterie 4 eingerichtet, welche mittels Gleichstrom (DC) erfolgt. Entsprechend weisen die Stromleitung 16 und die fahrzeugseitige Stromleitung 20 jeweils einen Leiter für das positive Potential E+ und einen Leiter für das negative Potential E- auf (jeweils nicht dargestellt).
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Die fahrzeugseitige Datenleitung 22 ist verbunden mit einer zentralen Steuereinheit 24 des Elektrofahrzeugs, welche dazu eingerichtet ist, sämtliche grundlegenden Funktionen des Elektrofahrzeugs (Antrieb der einzelnen Radmotoren, Bordelektronik, Beleuchtung, Temperaturregelung, etc.) anzusteuern, und vorliegend gegeben ist durch einen Fahrzeugserver. Im Fall, dass das Elektrofahrzeug keinen Fahrzeugserver aufweist, durch welchen alle grundlegenden Funktionen ansteuerbar sind, sondern für unterschiedliche Funktionen einzelne, voneinander physikalisch getrennte Steuereinheiten vorgesehen und eingerichtet sind, ist die zentrale Steuereinheit insbesondere gegeben durch diejenige Steuereinheit, welche eine Leistungsabgabe aus der Batterie 4 für den Fahrbetrieb und eine Leistungsaufnahme beim Laden regelt. Die zentrale Steuereinheit 24 ist datentechnisch mit dem Batteriemanagement 6 verbunden.
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Die fahrzeugseitige Stromleitung 20 ist über das Batteriemanagement 6 mit der Batterie 4 verbunden, und weist zudem einen Schalter 26 auf, durch welchen die Verbindung zum Ladekabel 10 auch bei in die Steckdose 14 eingestecktem Stecker 12 unterbrochen werden kann.
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Soll nun die Batterie 4 durch die Ladestation 8 geladen werden, oder soll für einen V2G-Betrieb Energie der Batterie 4 über die Ladestation 8 in das angeschlossene Stromnetz (nicht dargestellt) eingespeist werden, so wird zunächst zwischen der zentralen Steuereinheit 24 und der Ladestation 8 über die Datenleitung 18 und die fahrzeugseitige Datenleitung 22 eine erste Verbindung 27 aufgebaut, um die Energieübertragung zwischen der Batterie 4 und der Ladestation 8 vorzubereiten. Insbesondere wird bei dieser Vorbereitung eine Ladestrecke 28 zugeschaltet, welche die Stromleitung 16 und die ununterbrochene fahrzeugseitige Stromleitung 20 umfasst, wofür der Schalter 26 bei der besagten Vorbereitung geschlossen wird (weiter umfasst die Ladestrecke 28 die entsprechenden Kontakte im Stecker 12 und der Steckdose 14). Die erste Verbindung 27 kann dabei aufgebaut werden gemäß einem Protokoll wie z.B. PLC, CP oder CAN. In einer in 1 nicht dargestellten Alternative kann die erste Verbindung 27 auch über WLAN aufgebaut werden. Für die erste Verbindung 27 kann die zentrale Steuereinheit 24 ein zusätzliches Communication Gateway (nicht dargestellt) umfassen; falls die zentrale Steuereinheit keine derartige dedizierte Kommunikationsinfrastruktur beinhaltet, wird die erste Verbindung 27 von der Ladestation 8 zur zentralen Steuereinheit 24 über ein zusätzliches, mit letzterer verbundenes Gateway aufgebaut.
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Nachdem über die erste Verbindung 27 die Ladestrecke 28 zugeschaltet wurde, und ggf. noch durch die zentrale Steuereinheit 24 überprüft wird, ob die für den Ladevorgang (bzw. Entladevorgang) erforderlichen Freigaben (bspw. hinsichtlich einer Ladenorm, eines Ladeverfahrens oder auch der Bezahlungsmodalitäten) vorliegen, wird über ein Niedrigenergie-Funknetzwerk 30 zwischen dem Batteriemanagement 6 und der Ladestation 2 eine zweite Verbindung 31 aufgebaut. Das Batteriemanagement 6 kann hierfür eine eigene dedizierte Antenne aufweisen, oder zu diesem Zweck mit einer im Elektrofahrzeug 1 angeordneten Antenne verbunden sein bzw. verbunden geschaltet werden (Antennen in 1 nicht dargestellt). Beim Aufbau der zweiten Verbindung 31 kann hierbei eingangs eine gegenseitige Authentifizierung der beiden Verbindungsteilnehmer erfolgen; Daten werden für eine Übertragung über die zweite Verbindung 31 bevorzugt verschlüsselt. Authentifizierung bzw. Verschlüsselung können dabei insbesondere in dem Fachmann bekannter Weise erfolgen, und sind nicht Gegenstad der vorliegenden Erfindung.
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Das Niedrigenergie-Funknetzwerk 30 ist dabei bevorzugt gegeben durch ein LPWA-Netzwerk 32, wie es z.B. in einem NB-loT-Netzwerk oder einem LoRaWAN vorliegt. Ein LPWA-Netzwerk ist insbesondere durch einen besonders niedrigen Energieverbrauch bei gleichzeitig vergleichsweise hoher Reichweite von bis zu mehreren km (je nach Bebauung im Sendegebiet) gekennzeichnet. Da LPWA-Netzwerke insbesondere für die zunehmende Implementierung des loT auf Industrieebene, aber auch bei der Automatisierung von Privathaushalten verwendet werden, ist die Verfügbarkeit von LPWA-Netzwerken entsprechend hoch. Ein zugehöriger Access Point 34 für das LPWA-Netzwerk, also faktisch die physikalische Sende- und Empfangsstation, kann dabei an einem beliebigen Ort sein, solange die Ladestation 8 (und somit auch das an die Ladestation 8 angeschlossene Elektrofahrzeug 1) in der Reichweite des Access Points 34 liegt. In einer in 1 nicht dargestellten Alternative kann der Access Point 34 für das LPWA-Netzwerk 32 auch in der Ladestation 8 angeordnet sein.
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Ist die zweite Verbindung 31 zwischen dem Batteriemanagement 6 und der Ladestation 8 über das LPWA-Netzwerk 32 hergestellt, so wird die zentrale Steuereinheit 24 in einen inaktiven Modus versetzt, also z.B. einen Standby-Modus, oder auch einen Ausschalt-Modus (in welchem die zentrale Steuereinheit 24 gänzlich spannungsfrei geschaltet ist, und welcher z.B. vom Batteriemanagement 6 nach Ende der Energieübertragung durch einen entsprechenden Schaltbefehl an die zentrale Steuereinheit 24 beendet werden kann). Vorzugsweise werden, soweit vorhanden, auch sämtliche anderen fahrzeugseitigen Verbraucher, wie z.B. weitere etwaige Steuergeräte o.ä. in einen solchen inaktiven Modus versetzt, mit Ausnahme des Batteriemanagements 6 (und ggf. der mit dem Batteriemanagement 6 verbundenen Antenne für Aufbau und Aufrechterhaltung der zweiten Verbindung 31).
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Für eine Übertragung der Energie von der Ladestation 2 zur Batterie 4 über die Ladestrecke 28 werden nun für den jeweiligen Ladestandard (z.B. ISO15118-20) erforderliche Ladesteuerdaten, also z.B. durch das Elektrofahrzeug vorgegebene Grenzwerte, Sollwerte und/oder Istwerte für zu übertragende Energiemengen, Leistungen, Ströme und/oder Spannungen etc., über die zweite Verbindung 31 zwischen dem Batteriemanagement 6 und der Ladestation 8 ausgetauscht.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel überträgt das Elektrofahrzeug 1 (also im vorliegenden Ausführungsbeispiel dann seinem Batteriemanagement 6) einen Sollwert für eine zu übertragende Energie gemäß einer Kundenvorgabe (durch den Fahrer des Elektrofahrzeugs 1), technisch bedingte Grenzwerte für Strom, Spannung und/oder Leistung eines Ladestroms sowie Istwerte wie z.B. Ladezustand der Batterie 4 als Ladesteuerdaten an die Ladestation 2. Auf der Basis der besagten Ist- und Sollwerte kann eine zyklische Neuberechnung einzelner Ladesteuerdaten erfolgen. Die Ladestation lädt dann die Batterie 4 mit einem den besagten Vorgaben der Ladesteuerdaten entsprechenden Ladestrom.
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Insbesondere erfolgt die Übertragung sämtlicher Ladesteuerdaten über die zweite Verbindung 31, da ja die zentrale Steuereinheit 24 als der fahrzeugseitige Endpunkt dieser Verbindung sich bereits im inaktiven Modus befindet, und somit Ladesteuerdaten keinerlei Kommunikation mehr über die erste Verbindung 27 möglich ist.
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Nach Beendigung des Ladevorgangs kann die zentrale Steuereinheit 24, sowie ggf. etwaige weitere fahrzeugseitige Verbraucher, weiter im inaktiven Modus verbleiben, bis der Fahrer des Elektrofahrzeugs 1 einen Fahrbetrieb wünscht. Abhängig von anderen, hier nicht näher beschriebenen Funktionen des Elektrofahrzeugs 1 im Parkbetrieb können einzelne fahrzeugseitige Verbraucher jedoch auch vor der Wiederaufnahme eines Fahrbetriebs wieder zugeschaltet werden.
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In 2 ist schematisch in einem Blockdiagramm ein Verfahren dargestellt, mittels dessen zwischen der Batterie 4 des Elektrofahrzeugs 1 und der Ladestation 8 nach 1 möglich ist. In einem ersten Schritt S1 wird zwischen der zentralen Steuereinheit 24 des Elektrofahrzeugs 1 und der Ladestation 2 über die kabel- und die fahrzeugseitige Datenleitung 18, 22 die erste Verbindung 27 aufgebaut. Mittels der ersten Verbindung 27 wird das Elektrofahrzeug 1 in einem zweiten Schritt S2 einen Lademodus 36 versetzt, d.h., anhand des Austausches der für die Energieübertragung relevanten und insbesondere vorbereitenden Informationen wie z.B. Bereitschaft und Freigaben etc., wird das Elektrofahrzeug 1 in den Lademodus 36 versetzt und dabei insbesondere die Ladestrecke 28 zugeschaltet (also die zum Laden im Elektrofahrzeug 1 angeordneten und vorgesehenen Stromkreise geschlossen).
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In einem Schritt S3 wird anschließen zwischen dem Batteriemanagement 6 und der Ladestation 8 über das LPWA-Netzwerk 32 die zweite Verbindung 31 aufgebaut. Ist die zweite Verbindung 31 aufgebaut, so wird in einem Schritt S4 die zentrale Steuereinheit 24 in einen inaktiven Modus 38 versetzt (z.B. einen Standby-Modus, einen Sleep-Modus oder einen gänzlich spannungsfreien Modus o.ä.). Etwaige weitere Steuereinheiten bzw. -geräte sowie ggf. sonstige Verbraucher des Elektrofahrzeugs 1 werden in Schritt S3 ebenfalls in den inaktiven Modus versetzt.
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In Schritt S4 werden nun über die zweite Verbindung 31 Ladesteuerdaten 40 zwischen dem Elektrofahrzeug 1 und der Ladestation 8 ausgetauscht. Die Ladesteuerdaten 40 können dabei z.B. gegeben sein durch Soll-, Ist- und/oder Grenzwerte für elektrische Größen wie Strom, Spannung, Energie, Ladung und/oder Leistung. So werden vor Beginn der Energieübertragung bevorzugt Sollwerte (für einen Ladestrom, z.B. für ein effizientes Laden, und/oder für eine Energiemenge, z.B. durch Kundenvorgabe) und ggf. Grenzwerte (z.B. für Leistung, Spannung und/oder Strom, z.B. aus Sicherheitsgründen) vom Elektrofahrzeug 1 an die Ladestation 8 übermittelt. Während des Ladevorgang werden bevorzugt Istwerte der relevanten elektrischen Grö-ßen (z.B. über den Ladezustand der Batterie 4) vom Elektrofahrzeug 1 an die Ladestation 8 übermittelt. Weiter wird in Schritt S4 anhand der Ladesteuerdaten 40 mittels Gleichstrom ein Energiefluss 42 von der Ladestation 8 in die Batterie 4 geführt, um diese zu laden. Überdies können anhand der besagten Ist- und Sollwerte einzelne Ladesteuerdaten 40 (z.B. insbesondere ein Soll- und/oder Grenzwert für die noch zu übertragende Energiemenge o.ä.) zyklisch neu berechnet werden. Das Verfahren lässt sich, mutatis mutandis, auch zum Entladen der Batterie 4 des Elektrofahrzeugs 1 über die Ladestation 8 ins Stromnetz (V2G) verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrofahrzeug
- 2
- Ladeinfrastruktur
- 4
- Batterie
- 6
- Batteriemanagement
- 8
- Ladestation
- 10
- Ladekabel
- 12
- Stecker
- 14
- Steckdose
- 16
- Stromleitung (des Ladekabels)
- 18
- Datenleitung (des Ladekabels)
- 20
- fahrzeugseitige Stromleitung
- 22
- fahrzeugseitige Datenleitung
- 24
- zentrale Steuereinheit
- 26
- Schalter
- 27
- erste Verbindung
- 28
- Ladestrecke
- 30
- Funknetzwerk
- 31
- zweite Verbindung
- 32
- LPWA-Netzwerk
- 34
- Access Point
- 36
- Lademodus
- 38
- inaktiver Modus
- 40
- Ladesteuerdaten
- 42
- Energiefluss
- S1 - S4
- Verfahrensschritte
